三元流技术在循环水供应系统中的应用

上海宝钢股份特钢事业部 袁震

1 项目背景

宝钢股份特钢事业部于2007年起，为发挥专业化管理作用，有效提升能源供应的系统整合效应，将事业部中原先隶属于各生产制造单元的循环水、水处理单元划归能源环保部进行集中管理。为推进专业管理，有效开展能源介质供应单元的节能工作，能环部自接收伊始即对各水系统单元开展系统调研。在循环冷却水供应环节中，我们发现因系统设计中考虑为保证安全及最大产量等制定的设备和运行参数都有较大的冗余，而这些参数与实际生产情况并不完全匹配，设备供应能力大于工况需要。为实现平稳生产供应，现场往往是通过阀门的开启度来调整供应，导致设备的能量损耗增加,造成了能源的大量浪费。

因生产系统中的冷却循环水系统一般都是以不间断方式长期运行,如能有效实现设备和工况的合理匹配，则整个系统将有较大的节能空间。

2 项目的确定

经国内外常用水泵风机节能技术性能的比较并反复论证，我部决定选择“全三元水泵叶轮设计方法”作为现场解决方案。由上海市节能协会推荐，我部与上海置本节能服务有限公司达成合作意向，在特冶冷轧辊冷却循环水系统中先行开展三元流技术的改造试验。

2.1 三元流技术简介

该技术采用国际上最前沿的泵水力性能解决方案，使用水泵设计软件《全三元水泵叶轮设计方法》，结合生产现场实际的运行工况，重新进行水泵内水力部件（主要是叶轮）的优化设计；然后进行铸造、加工和更换，以提高水泵效率，减少能耗。它可以针对实际使用要求，在不改变电机、泵体、管线等条件下增大流量、提高压力，以满足生产需要；或者在保证流量、压力不变的情况下降低电机工作电流，达到节能降耗的目的。

2.2 三元流原理

传统的“一元流理论”，把叶轮内两个相邻叶片间形成的流道，视为一个截面变化的弯曲流管，认为沿流线的流速大小随截面大小而变化；但假定在每个横断面上流速是均匀的。 然而由于叶轮流道的三元曲线形状又是在等速旋转之中，流速（或压力）不但沿流线变化，而且横截面上任一点都是不相同的，即流速是三元空间圆柱坐标（R、φ、Z）的函数。特别是叶片数也是有限的，流速和压力沿旋转周向（φ坐标）的变化，正是水泵向流体输入功的最终体现，忽略这一点就无法计算水泵的扬程，这也就是为什么“一元流理论”只能计算叶轮进口、出口参数，而不能分析叶轮内部流动参数的原因。

水泵的效率显然与其内部流动状况的好坏是密不可分的。传统的设计者只能根据已有水泵的相似模化总结出一些经验作法，进行叶轮形状的设计（如速度数法、保角度变换法等）。由此可见，一元流理论固然简单，但不能完全反映水泵内的真实流动，这就在设计上阻碍了水泵效率的提高。

由于粘性和压力梯度的存在，泵轮出口沿叶片吸力面及前盖板表面都会有流体的脱流，形成“尾迹”区，它们不但消耗了有用功降低水泵效率；而且由于流道的堵塞，使流量减少。这些都是一元流动理论无法预测和分析的；通过全三元“射流—尾迹”流动计算得出定量分析，使我们改善叶轮内流动状态，减少进口冲击和出口尾迹脱流等损失，使水泵效率真正得以提高。

2.3 三元流改造步骤

该技术能根据用户的实际情况，先对在用离心泵的流量、压力、电机功耗等进行测试，并提出常年运行的工艺参数要求；再使用《全三元水泵叶轮设计方法》设计出水泵内过流元件——叶轮，保证可以和原型互换，在不动管路、电路、泵体等条件下，更换水力部件；在同样测试条件下，对改型水泵进行测试比较，若效果不理想，结合实际工况作第二次调整，更换新的水力部件，即可达到预期目标。

3 项目实施

3.1 现状调查

冷轧辊冷却循环水系统有两套系统：冷轧辊循环系统、冷却水泵系统，以下简称机组。下面分析二个系统：

（1）B1（1#～3#）泵组

该系统共有3套机组，水泵型号均为HS200-150-450A型；配套电机型号均为Y2-315S-4型。实际运行数据如下。

1#机组：

电机输入功率为125kW

机组效率为57.77%≈58%

2、B2(1#～3#)泵组

3＃机组

电机输入功率为131kW

机组效率为54.95%≈55%

通过以上的分析计算可以看出机组的实际运行效率在比原设计效率低的状态下运行；电耗高，经济性差。

3.2 改进方案

该系统共有B1、B2两个泵组，我们选定在B2-3#水泵上进行先期试验，以上海置本节能服务有限公司设计制作的全三元流高效叶轮更换水泵原叶轮。在确保满足生产工艺要求、循环水系统与改造前同样的压力和流量条件下，不改动机泵等设备基础、循环水管路和电机，达到提高机组效率、降低机组（电机）平均电耗的目的。

3.3 方案实施

我部在项目初期就选择了有丰富经验的人员组成管理体系，确定项目负责人，做到科学管理，安全文明施工。制定了详细的施工方案和施工进度计划，对工程进度、质量、资金全面负责。自现场采集确认运行数据起，经过设备测量、计算、元件改造等环节，顺利的完成全部计划施工内容。

施工期间，我们与设备制造单位、设备安装单位紧密合作，精心组织施工，改造工作圆满完成。

4 项目效果

为了确认水泵叶轮改造后的实际节能效果，在改造完毕后，为了检验改造后的效果，对该泵组每小时运行的流量、压力、电流、总的用电量进行记录。对已改造并投入使用的水泵进行多次测试，并进行节能效果的对比分析：

B2(1#～3#)泵组

流量Q为550＋25m3/h；扬程H为45～47m。

机组效率△η≥16%；电机正常实际输入功率下降23～24kW。

改造前每吨水电耗为0.181kW/t

改造后每吨水电耗为0.164kW/t

节电率为9.39%

经确认改造后用三元流叶轮运行的B2-3#水泵运行平稳、安全，节电率达到9.39%。

5 结束语

水泵、风机是工业领域中最为广泛的必不可缺的基础性设备，在大多数生产企业中水泵、风机的能耗占全部能耗的15%～55%。根据泵行业的特性，绝大多数的泵系统，无论其新或旧，都由于普通一元叶轮存在射流尾迹的影响，无法与生产企业的实际使用工况相匹配。而通过三元流设计的叶轮，可以从根本上提高泵效率，真正达到节能降耗的目的。通过本次全三元流水泵改造技术的应用，很大程度上提高了水泵运行效率，达到了实际使用要求，节电效果较显著。此次改造选择的系统投运时间不长，设备状态相对较好，对其他属性的老的循环系统的节能改造有良好的借鉴意义。因此我部已着手开展计划制定，在下阶段中将此技术在其他单元开展推广应用。